纸基微流控芯片 | Encyclopedia MDPI

纸基微流控芯片: History

Please note this is an old version of this entry, which may differ significantly from the current revision.

Subjects: Others

Contributor: Yuhang Jin , Aziz ur Rehman Aziz ,

Bin Wu

Ying Lv

, Hangyu Zhang , Na Li , Bo Liu , Zhengyao Zhang

传统探测器大多由难以使用的复杂结构组成。然而，纸基微流控芯片结合了小型、高效、易于加工和环保的优点。用于生物医学应用的纸基微流控芯片专注于效率、准确性、集成和创新。因此，在从单通道检测到多通道检测的转变以及从定性检测到定量检测的转变中，观察到了不断的进步。这些发展提高了单细胞物质检测的效率和准确性。纸基微流控芯片可以提供对多个领域的洞察，包括生物医学和其他相关领域。

paper-based microfluidics chips
biomedicine
biomarker
clinical detection

一、简介

医学与工程的完美结合，带动了许多生物技术的发展，如标记检测、基因扩增、细胞培养等。但在专业实验室，使用专业仪器，成本增加，相关实验难度加大，制约学科发展。因此，生物医学研究已慢慢转向制造经济、易于使用、环保且效果显着的新设备。

1990 年，微流控技术首次被提出用于微机电系统 (MEMS) 中的微流控控制 [ 1 ]。微流控芯片最初应用于化学分析 [ 2 ]。在不同类型的微流控芯片中，纸基微流控芯片由于其发展成为理想的生物医学设备的潜力，近年来在生物医学领域受到关注[ 3 , 4 ]。

2. 纸基微流控芯片概述

2.1。纸基微流控芯片的特点

微流控芯片是具有高度集成检测的小而轻的设备。它将微米级的样品制备、反应、分离、检测等组件与精细加工技术融为一体。因此，它可以进行复杂的物理和化学过程，并完成从添加样品到读取结果的整个实验分析。因此，它也被称为“芯片实验室” [ 5、6、7 ]。美国哈佛大学 Whitesides 研究小组于 2007 年提出了纸质微流控分析装置 (μPADs) 的概念 [ 8]。对于“纸上实验室”，滤纸用作微流控芯片的基材，而不是无机或聚合物材料。使用纸基微流控芯片有几个优点：纸本身具有毛细管效应，可以引导试剂流动而无需额外的电源。纸相对便宜，易于获得和加工，因此降低了芯片制备成本。同样，体积小，体积轻，便于运输和储存。由于它比其他合成材料更容易降解，因此减少了对芯片使用的环境限制，更加环保。因此， μPAD比其他微流控芯片更经济、更安全、更易于使用和运输[ 9、10、11 ]。

2.2. 纸基微流控芯片材料

纸基材料的设计和制备在确定 μPAD 的性能方面起着决定性的作用。目前有三种纸基材料广泛用于生产纸屑：滤纸 [ 12 ]、硝酸纤维素纸 [ 13 ] 和玻璃纤维纸 [ 14 ]。它们都有自己的特点和应用（如表1所示），也可以单独使用或相互组合使用，以实现整体功能。此外，纸的厚度和纸的孔隙率等参数也会影响流体速度。在进行更详细的流体控制计算时应考虑这些参数 [ 15 ]。

表 1.纸基微流控芯片材料 [ 12 , 13 , 14 ]。

材料	特征	应用
过滤纸	吸水性好，容易获得，成本低，强度差	适用于各种纸屑，应用最广泛的纸基材料
硝酸纤维素纸	可结合和固定蛋白质，成本高	基于蛋白质印迹反应的检测，胶体金试纸反应区
玻璃纤维纸	性能稳定、不易断裂、耐高温、耐腐蚀	基于化学反应的检测

三、纸基微流控芯片的制备方法

3.1。二维纸片制备

纸基芯片不同于玻璃、塑料或其他材料基芯片。例如，纸基微流体装置中的亲水通道两侧是疏水屏障，引导液体流动，反应被蚀刻在基板上。随着技术的发展，纸片制备方法变得更加复杂。广义的纸包括纸源材料通过简单的拼接或堆叠制备的各种分析装置。流体控制无疑是纸片设计的重中之重[ 16 ]。本节重点介绍在纸上制作流体流动通道的常用方法（如表2所述）[ 17,18,19 ]。

表 2纸基微流控芯片的制备方法

方法	优点	缺点
光刻	最早的纸片制作方法，精密的通道结构[ 20 ]	工艺复杂产生的纸屑不适合折弯 [ 8 ]
等离子处理技术	更适合大批量生产，成本低[ 21 ]	取决于模板，降低了灵活性 [ 22 ]
蜡染	加工简单，环保材料 [ 23 , 24 ]	依靠喷蜡打印机，加热引起的水平扩散会降低结构精度 [ 25 ]
喷墨方式	加工简单，可以用墨水笔绘制，无热扩散，结构更精密 [ 26 , 27 ]	疏水性墨水可能有毒，墨水笔手绘不准确，仍然依赖喷墨打印机 [ 28 ]
丝网印刷	大批量生产的理想选择，工艺简单，成本低 [ 29 , 30 ]	依赖模板，大大降低了研究过程中的灵活性 [ 31 ]
激光加工技术	可以制备非常精确的结构 [ 32 ]	依靠昂贵的激光设备，难以普及[ 33 ]
3D折纸法	3D结构有更多的功能，每一层的直接配准[ 34、35 ]	层间需要固定装置，只能使用单一材料 [ 36 ]
3D贴合方式	3D结构具有更多功能，可以使用多种材料[ 37 ]	层间需要固定方式，需要注册方式[ 38 ]
其他 3D 方法	创新性强，发展潜力大[ 39 ]	特殊用途，难以推广 [ 40 ]

3.2. 三维纸片制备

实际上，三维纸屑只是二维纸屑的叠加，但达到了“1+1>2”的目的。通过提供多层结构和垂直流道，增加了纸片的通量，丰富了纸片的层数，使检测反应在时间和空间上更加可控，是纸片发展的新方向之一。44、45 ]。_ 与 2D 纸芯片相比，3D 纸芯片更难以更高的成本制造，但它们更方便、更准确、更灵敏[ 46 ]。

4. 纸基微流控芯片分析方法

纸基微流控芯片专注于以视觉方式呈现的结果。使用比色法、电化学和荧光法，纸芯片可以根据不同物质的物理、生物和化学特性[ 48、49、50 ]（如表 3所述）找出不同物质的定性和定量信息。

表 3纸基微流控芯片分析方法

方法	优点	缺点
比色法	结果直观，肉眼易读，成本低 [ 51 , 52 ]	无法实现准确的定量检测[ 53 ]
电化学法	定量准确，快速阅读 [ 54 , 55 ]	依赖电化学工作站，增加成本，降低灵活性 [ 56 ]
荧光法	检测限低，非常灵敏 [ 57 , 58 ]	依靠荧光检测设备，易受纸荧光剂信号影响[ 59 ]
联合电子	结合上述方法可以使非专业人士获得准确的结果 [ 60 , 61 ]	需要安装手机APP甚至更大的设备，降低灵活性[ 4 ]

This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/mi13111835

© Text is available under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license; additional terms may apply. By using this site, you agree to the Terms and Conditions and Privacy Policy.